Облік консолідації ґрунтів є важливим фактором у проектуванні промислових, гідротехнічних, транспортних і цивільних споруд, так як неправильний розрахунок грунтових підстав може призвести до руйнування технічних об’єктів. Явище консолідації пов’язано з многофазностью структури ґрунту. Теорії, що описують цей процес та інші реологічні властивості, є базовими концепціями інженерного прогнозування.
Загальне поняття
Грунти, службовці найбільш поширеними будівельними матеріалами для спорудження підстав, за своїми властивостями не відносяться ні до одного з традиційних фазових станів речовин (тверде, рідке, газоподібне), так як складаються з безлічі окремих частинок. Їх міцнісні та інші фізико-механічні властивості залежать від сукупної взаємодії цих елементів і змінюються в широкому діапазоні.
Визначення консолідації грунтів пов’язано з явищем їх стисливості під дією навантаження. Це відбувається в основному за рахунок зближення твердих частинок один до одного. Одночасно фільтрується вода, що міститься в порах грунту. Дане явище пов’язане з тим, що в різних точках пласта поровий тиск відрізняється. Вода прагне мігрувати в менш навантажені зони. Одночасно з цим відбувається перебудова компонування грунту. Процес зміни витрати вологи з достатньою точністю описується законом Дарсі.
Основними завданнями, для вирішення яких призначена теорія консолідації грунтів, є розрахунок величини осідання грунту під впливом навантаження і часу, за який вона відбудеться.
Історія розвитку теорії
Консолідація (ущільнення) ґрунтового шару протікає в умовах несталою фільтрації. Вперше рівняння, що описує цей процес при змінній пористості і проникності, було запропоновано російським ученим-гидравликом Н. Н. Павловським. Рішення приватної одновимірної задачі в 1925 р. зробив австрійський геолог Карл Терцагі.
У 30-е рр. радянським ґрунтознавцем Н. М. Герсевановым була розроблена система рівнянь в неповному вигляді для розв’язання просторової задачі. Подальший розвиток теорія фільтраційної консолідації грунтів отримала в працях російського вченого Ст. А. Флоріна. Його ідеї та розрахунки лягли в основу сучасної механіки грунтів.
Трикомпонентна модель, запропонована Флориным, була в подальшому використана в працях К. Ю. Зарецького, Л. В. Гореліка, М. Ю. Абелевих, П. О. Іванова та інших вчених. Розроблені ними методики застосовують при проектуванні гідротехнічних споруд, нафтових установок на шельфі та інших об’єктів на «слабких» грунтах.
Різновиди
Розрізняють наступні типи консолідації грунтів:
- Природна, зумовлена тиском вищерозміщених шарів. Після закінчення певного проміжку часу вона закінчується. Виникаючі при цьому напруги називають історичними. Якщо в даний момент поточні напруги в грунті збігаються з історичними, то кажуть, що він нормально ущільнений. У тому випадку, коли значення перших менше, грунт є переуплотненным (таке спостерігається при зниженні навантаження, наприклад, при таненні льодовика).
- Первинна, відбувається за рахунок міграції води в порах при зменшенні їх об’єму під впливом навантаження. Величину консолідації визначають за графіками, наведеними нижче (при ступеня консолідації, яка знаходиться в межах 0-100%).
- Вторинна. Ущільнення продовжується в результаті повзучості твердих частинок (або скелета) ґрунту, яка не враховувалася в попередньому випадку. Для визначення опади розраховують коефіцієнт консолідації ґрунту вторинного процесу.
Явище консолідації відрізняється від простого стиснення тим, що в другому випадку не відбувається зміни обсягу води. Схематично різниця між цими двома процесами представлена на малюнку нижче.
Основні припущення
Рішення завдань фільтраційної консолідації ґрунту базується на наступних припущеннях:
- грунт є повністю водонасыщенным, а рідка середовище нерозривний, тобто зниження пористості грунту пропорційно відтоку рідини;
- ущільнення відбувається тільки за рахунок фільтрації рідини і скорочення обсягу скелетних часу;
- внутрішні напруги миттєво викликають деформації, немає в’язких зв’язків;
- зовнішнє тиск спочатку повністю передається на воду, структурна міцність відсутній (осаду закінчується тоді, коли внутрішнє напруження сприймають мінеральні частинки ґрунту);
- фільтрація рідини відбувається за законом Дарсі.
Дана теорія застосовується для визначення швидкості розвитку опади у водонасичених ґрунтах. Коли вона наближається до граничних значень, то виникає аварійна ситуація, будівельне споруда руйнується. При менших значеннях деформування конструкції компенсується за рахунок повзучості матеріалу і стиків.
Які властивості грунту впливають на швидкість консолідації?
Основними характеристиками грунту, що впливають на швидкість осідання, є:
- здатність пропускати воду під тиском (водопроникність);
- структура (властивості частинок, з яких він складається);
- тиск, що створюється рідиною на стінки пор;
- здатність скелета деформуватися з плином часу під впливом навантаження;
- стисливість мінеральних частинок, води і повітря в порах ґрунту;
- схема навантаження;
- геологічна будова;
- переважання тієї чи іншої фази, наявність повітря знижує коефіцієнт консолідації та швидкість вирівнювання надлишкового порового тиску.
Існує кілька розрахункових моделей з різними припущеннями, що дозволяють спростити визначення необхідних показників. Найбільш розповсюдженою теорією є фільтраційна, згідно з якою грунт повністю насичений водою (основні її допущення вказані вище). Така модель знаходить застосування для розрахунку слабких глинистих грунтів, які ущільнюються на великій площі.
Точність розрахунку і прогнозу залежить від того, наскільки близькими до реальності вдається отримати властивості грунтів. На консолідацію грунту впливають і такі важкопередбачувані зміни, як витоку з водоподводящих або відвідних комунікацій, зміна дренажу на прилеглій території та інші процеси. Приклад розрахунку щодо визначення фільтраційної консолідації грунтів розглянуто далі.
Особливості піщаних і глинистих грунтів
В піщаних грунтах з високою водонасыщенностью віджимання води з пор протікає швидше (відповідно вище коефіцієнт консолідації ґрунту), так як проміжки між твердими частками є досить великими. Зсувні деформації у піщаних і уламкових породах виникають в результаті взаємного зміщення частинок і руйнування контактів між ними.
В глинах об’ємна деформація викликає щільну переупаковку частинок, оточених рідинної оболонкою. Швидкість консолідації визначається в основному типом структурних зв’язків і величиною навантаження. Наявність водноколлоидных зв’язків обумовлює пружність глинистих грунтів – їх здатність до відновлення після усунення навантаження. Зміцнення після ущільнення пов’язано з тим, що відбувається відновлення цих зв’язків, якщо внутрішнє напруження не перевищувало структурну міцність. Так як пори в глинистих ґрунтах значно менше, то консолідація відбувається повільніше.
Найбільш складними для прогнозування є структурно-нестійкі грунти, у яких деформація відбувається під впливом додаткових зовнішніх факторів – відтавання мерзлих ґрунтів, розкладання органіки в торфах і заторфованих грунтах, обводнення лесу, зростання засоленості. Так, у торфу фільтраційна консолідація згасає швидко, а осаду триває протягом тривалого періоду часу.
Основне рівняння консолідації
Розрахунок консолідації ґрунту здійснюється за наступним основним рівнянням:
де n’ – вміст рідини в одиниці об’єму ґрунту;
t – поточний період часу;
s – поверхнева пористість;
p – надлишковий тиск в поровій воді, що з’являється за рахунок консолідації;
p1 – початкова тиск до процесу консолідації;
μ – коефіцієнт розчинності газу;
e – коефіцієнт пористості;
x і z – координати для розв’язання плоскої задачі (для елементарного об’єму ґрунту dx×dz×1);
kx, kz– коефіцієнти фільтрації через ліву і праву грань елементарного кубічного об’єму;
H – величина напору;
i0 – початковий градієнт напору.
Для більшості типів грунтів процес напірної фільтрації води добре описується залежністю Дарсі-Герсеванова, яку можна отримати з основного рівняння. Воно має вигляд:
де m – відношення площі перерізу скелета ґрунту до загальної площі;
us – середня відносна швидкість руху рідини в порах;
vs – рух скелета ґрунту.
Модель об’ємних сил
У моделі об’ємних сил, запропонованої Флориным, враховується взаємодія фаз ґрунту (бульбашок газу, рідкої фази, твердих частинок). При цьому мається на увазі, що дотичні напруження сприймаються лише скелетом грунту. Нормальні зусилля передаються всім фазам. Рівняння консолідації з урахуванням лінійної повзучості має вигляд:
де а0, а1 – деформація, миттєво виникає в момент прикладання навантаження;
β – коефіцієнт об’ємної стисливості газу;
ɣ і ɣ1 – параметри повзучості;
Ɵ* – сума напружень в скелеті грунту, які виникли б, якби вода не перешкоджала зміни розміру пор.
Коефіцієнт фільтраційної консолідації ґрунту обчислюється за формулою:
В інженерній практиці будівельних споруд застосовують різні види розрахунків по складності. Основне рівняння консолідації наводиться до визначеного виду залежно від умов і поставлених завдань.
Спрощений розрахунок
Головними параметрами, що описують напружений стан грунту, є:
- Коефіцієнт консолідації, що характеризує швидкість ущільнення.
- Ступінь консолідації ґрунту. Це поняття використовується для визначення опади з моменту початку навантаження до будь-якого проміжку часу.
- Період первинної консолідації.
Основною метою розрахунків з теорії фільтраційної консолідації є визначення величини осідання грунту під впливом суцільний навантаження і часу, протягом якого вона відбувається. Для цього використовуються два методу обчислень – лінійні і нелінійні (для відповідальних споруд).
Коефіцієнт фільтрації, який бере участь у розрахунках, являє собою швидкість фільтрації води в грунті при гідравлічному градієнті (ухилі). Його визначають одним з 3 способів – польовим випробуванням (відкачуванням або наливом), в лабораторних умовах, за непрямим методом (за даними механічних аналізів і пористості).
Приклади
Приклад розрахунку щодо визначення фільтраційної консолідації ґрунтів наведено нижче.
Обчислити час консолідації шару ґрунту товщиною 4 м (400 см), відповідні 0,5 повного осідання. Навантажувальне тиск на грунт – 0,3 МПа, коефіцієнт відносної стисливості – 0,015 см2/кг, коефіцієнт фільтрації – 1∙10-3 см/с (вертикальний) і 2,8∙10-4 см/с (горизонтальний).
Розрахунок без урахування анізотропії. Повне осідання обчислюють за формулою:
s = hmvp = 400∙0,015 х 3 = 18 див.
Питома вага води дорівнює 0,001 кгс/см3. Враховуючи, що 1 см/с ≈ 3 х 107 см/рік, отримаємо коефіцієнт консолідації:
Сv = (1∙10-8∙3∙107)/(0,015∙0,001) = 20 000 см2/рік.
Тоді час консолідації ґрунту одно:
t = 4∙4002∙0,49/(3,142∙20 000) = 1,59 років.
де 0,49 – постійний множник (вибирається за довідковими даними і в залежності від ступеня консолідації).
Вплив анізотропії
При спорудженні об’єктів на макропористых лесових ґрунтах в розрахунки вводять поправочний коефіцієнт на анізотропію, так як ізотропний спосіб вирішення дає занижені показники швидкості консолідації.
Коефіцієнт анізотропії розраховують за формулою:
де nf – ступінь фільтраційної анізотропії.
Цей параметр вводиться в чисельник формули для розрахунку коефіцієнта консолідації. Отримане значення дозволяє прийняти рішення про проведення додаткових захисних та запобіжних заходів по зміцненню фундаменту споруд:
- загальна водозниження;
- проектування поверхневого стоку води;
- боротьба з витоками води та інші.
Лабораторні випробування
Коефіцієнт консолідації визначають розрахунковим шляхом при проведенні випробувань зразків ґрунту. Для цього застосовуються спеціальні прилади – одометри. Дренування рідини проводиться в горизонтальному, вертикальному і радіальному напрямку. Принципова схема одометра показана на малюнку нижче.
У нижню частину камери горизонтального одометра встановлюється зразок ґрунту, в центрі якого вирізають отвір. В нього вставляють циліндр з пористого твердого матеріалу, через який подають воду. На нижній обоймі камери і в основі закріплюються датчики порового тиску. Водонасичення проводиться протягом доби.
На зразок прикладають вертикальну осьову навантаження. При цьому проводиться запис показань датчиків тиску, сили і переміщення. На основі отриманих даних будують компресійні криві. Як показують дослідження, коефіцієнт консолідації ґрунту набагато більше при тиску, значення якого менше напруг ущільнення, а фільтрація вище в радіальному напрямку.
У непорушених структур ґрунту компресійна крива має початковий ділянку з малим кутом нахилу. Для таких зразків також характерне різке зниження коефіцієнта порового тиску. Ці властивості використовуються для аналізу порушення структури грунту. Ступінь консолідації, яка обчислюється при лабораторних випробуваннях, показує, яка частина деформації (у відсотках або частках одиниці) має місце за певний проміжок часу.
Точку початку первинної консолідації отримують на експериментальних кривих, провівши на графіку пряму, яка співпадає з початковою ділянкою. Її перетин з віссю ординат дає шукане значення.
